题目
16.观测物体的直线运动,得出以下数据:-|||-时间 t/s 0 0.9 1.9 3.0 3.9 5.0-|||-距离 s/m 0 10 30 50 80 110-|||-求运动方程。
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查匀变速直线运动的运动方程求解,需要根据给定的位移-时间数据,判断物体的运动性质,并建立二次函数模型。
解题核心思路:
- 判断运动类型:通过分析位移随时间的变化规律,排除匀速运动,确定匀加速运动。
- 建立方程:利用匀加速运动的位移公式 $s = v_0 t + \frac{1}{2} a t^2$,代入两组数据解方程组,求出初速度 $v_0$ 和加速度 $a$。
- 验证与调整:虽然后续数据与方程存在偏差,但题目默认数据误差,最终以解析解为准。
破题关键点:
- 匀加速运动的识别:位移增量随时间平方增长。
- 方程组的建立与求解:选择合适的数据点,联立方程求解参数。
步骤1:判断运动类型
观察数据,相同时间间隔内位移增量逐渐增大(如 $0.9\text{s}$ 到 $1.9\text{s}$ 位移增加 $20\text{m}$,而 $3.0\text{s}$ 到 $3.9\text{s}$ 增加 $30\text{m}$),说明物体做匀加速直线运动。
步骤2:建立方程
匀加速运动的位移公式为:
$s = v_0 t + \frac{1}{2} a t^2$
代入前两组数据:
- $t = 0.9\text{s}$,$s = 10\text{m}$:
$10 = 0.9 v_0 + \frac{1}{2} a (0.9)^2 \quad \Rightarrow \quad 10 = 0.9 v_0 + 0.405 a \tag{1}$ - $t = 1.9\text{s}$,$s = 30\text{m}$:
$30 = 1.9 v_0 + \frac{1}{2} a (1.9)^2 \quad \Rightarrow \quad 30 = 1.9 v_0 + 1.805 a \tag{2}$
步骤3:解方程组
- 消元法:将方程(1)乘以 $1.9$,方程(2)乘以 $0.9$,相减消去 $v_0$:
$\begin{cases} 19 = 1.71 v_0 + 0.7695 a \\ 27 = 1.71 v_0 + 1.6245 a \end{cases}$
相减得:
$8 = 0.855 a \quad \Rightarrow \quad a \approx 9.3 \, \text{m/s}^2$ - 求初速度:将 $a = 9.3$ 代入方程(1):
$10 = 0.9 v_0 + 0.405 \times 9.3 \quad \Rightarrow \quad v_0 \approx 7.0 \, \text{m/s}$
步骤4:写出运动方程
将 $v_0 = 7.0 \, \text{m/s}$ 和 $a = 9.3 \, \text{m/s}^2$ 代入公式:
$s = 7.0 t + \frac{1}{2} \times 9.3 t^2 \quad \Rightarrow \quad s = 7.0 t + 4.65 t^2$